申請加入星系俱樂部:人類搜尋外星生命技術史

一代又一代地球人一直在思考這樣一個問題:我們在宇宙中是唯一的存在嗎?假如不是,那我們是應該感到激動呢、還是恐懼呢?
1686年,法國科學家伯納德·豐特奈爾在著作《世界的多元性對話》中提出了一條啟發性的推測:“如果地球上擁有如此多的生命,而其它星球卻空無一人,那未免太奇怪了。”他還提出,外星生物也許會試圖與我們溝通,甚至藉助某種先進的飛行方法造訪過地球。

1715顆星球可以“看見”地球?外媒:外星人或已經在看着我們

來源:aeon

撰文:Pam Weintraub

翻譯:葉子

圖為人類拍下的第一張系外行星的照片。這顆行星距地球約200光年,質量約為木星的五倍,圍繞一顆年輕的棕矮星旋轉。

圖為人類拍下的第一張系外行星的照片。這顆行星距地球約200光年,質量約為木星的五倍,圍繞一顆年輕的棕矮星旋轉。

自此之後,每一代人都曾使用過自己的方式、試圖與外星生命進行聯絡,這也一直是各個時代的技術主題。

1818年,德國數學家高斯提議用“回照器”聯繫外星人。這是他設計的一套由鏡面組成的系統,可通過反射陽光發射編碼信號。等到早期電燈發明之後,法國發明家查爾斯·克羅斯提出,可以通過放大燈泡的體積、用光束將信息發送到金星或火星上。到了1900年,尼古拉·特斯拉寫道,利用最新發明的射電波,“行星際溝通已經進入了可能實現的階段”。僅過了一年,他就報道稱自己探測到了疑似來自另一個世界的信號。

然後研究就在這裡卡住了。即使技術變化的速度越來越快,但時至今日,射電依然是搜索外星人的主要媒介。在特斯拉提出利用射電波搜索外星人一個世紀之後,參與地外智慧生命搜尋(簡稱SETI)的研究人員仍在用天線掃描夜空,試圖捕捉來自其它世界的人造射電信號。在這些努力下,統計學上限不斷縮緊,還出現了幾次假警報,令人短暫地興奮了一下,但大多最終還是一無所獲。

要想讓SETI再次開始發展,需要的不僅是某種特定的新技術。更重要的是,我們要以全新的角度、將技術作為一個整體來思考。“我向來不太支持所謂的‘燈塔SETI理念’,”羅切斯特大學天體物理學家亞當·弗蘭克表示,“這種方法的基本理念就是等待別人通過射電信號發信息給你。但我覺得也許沒人想這麼做。”以弗蘭克為首的一些研究人員採用的是另一種不同的搜索方法,側重於尋找外星人的“技術特徵”,即外星技術在改造環境時留下的痕迹。

從SETI向“技術特徵”的轉變將改變我們對地外生命的想象。正在興起的技術特徵科學也重新引發了一場沉寂已久的爭論:要想與外星人聯絡,我們是否需要停止“只聽不說”的傳統做法、開始主動向外發聲?如果我們向宇宙宣告自己的存在,會不會造成地球的毀滅?

SETI由上世紀50年代的“太空時代”心態發展而來。當時火箭科學家們起草了一系列計劃,準備將太空飛船送往其它星球;與此同時,天文學家也開始針對來自遙遠天體的射電信號開展詳細研究。美國國家射電天文台的射電天文學家弗蘭克·德雷克將這兩大主題融合在了一起,開始思考其它世界的智慧生物是否也會以類似的方式向外探索,並試圖通過射電波與我們聯絡。利用美國國家射電天文台的85英尺口徑射電天線,便可探測到這些信號。

1960年,德雷克開展了“奧茲瑪計劃”,試圖搜索地外文明發出的信息。他利用85英尺口徑的射電望遠鏡掃描夜空,同時用一台揚聲器抓取靜音噪聲中可能隱藏的信息。這項小規模計劃吸引了大量媒體與學界關注。一年後,德雷克召開了首次SETI會議,邀請了十餘名頂尖科學家前來探討搜索地外文明的前景。年輕的天文學家吉爾·塔特也是其中一員。幾十年後,她成為了迄今為止規模最大的SETI項目——NASA的高分辨率微波巡天計劃的項目科學家。

1974年,阿雷西博對準25000光年之外武仙座的M13星團發射了一個問候信息,裡面包含了1679個比特的序列。1679是23和73兩個質數的乘積,我們希望接收到這個信息的外星文明,可以解譯出如下73x23的圖形。這裡包含了地球與人類的太多隱私,比如我們擅長的十進制、人類DNA的元素與基本結構、地球人口數目(1974年)、地球的位置、甚至地球男人的平均身高!

1974年,阿雷西博對準25000光年之外武仙座的M13星團發射了一個問候信息,裡面包含了1679個比特的序列。1679是23和73兩個質數的乘積,我們希望接收到這個信息的外星文明,可以解譯出如下73×23的圖形。這裡包含了地球與人類的太多隱私,比如我們擅長的十進制、人類DNA的元素與基本結構、地球人口數目(1974年)、地球的位置、甚至地球男人的平均身高!

NASA的這項努力在1992年給了人們很大的希望。但僅僅一年之後,希望就破滅了。內華達州參議員理查德·布萊恩將其單獨拎出、作為“政府浪費”的典型案例進行鞭笞。美國國會不僅叫停了這一項目,還禁止NASA對該方向上的任何研究項目投入資金。塔特此時挺身而出,共同創立了非營利性組織SETI研究所,希望通過私人贊助繼續自己的研究,但該領域的名聲已經到了崩盤的邊緣。

情況就這樣停滯了。但當時沒有人意識到,兩位名氣不大的瑞士科學家其實已經為SETI的復活奠定了基礎。1993年,就在參議員布萊恩嘲笑SETI項目的同時,日內瓦天文台的米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎羅茲完成了一種新儀器的設計。這種儀器敏感度很高,甚至可以發現太陽系之外的行星。1995年,二人將自己取得的成功公之於眾:他們發現了第一顆圍繞其它恆星旋轉的行星。他們的同事弄清了搜索的方向和方式后,新的探測結果便開始如雨後春筍般紛紛浮現。截至目前,人類發現的系外行星數量已經超過了4500。

隨着我們發現的系外行星數量急劇增加,“其它行星上可能存在生命”已經不再是一種哲學上的猜測,而是可以通過實際行動加以探究。研究人員發明了一個新詞——“生物特徵”,用來描述能說明其它星球上存在生物活動的化學證據。例如,地球上的氧氣通過光合作用產生,甲烷則由微生物消化有機質產生。這兩種氣體會發生相互反應,所以在氧氣含量較高的大氣中,甲烷若得不到穩定的補充,就會迅速消失。因此如果能在某顆系外行星上同時發現氧氣和甲烷,這就是生命存在的有力證據。

塔特很快意識到,生物特徵對SETI項目而言也具有重要意義。任何可以觀察到的新陳代謝活動的跡象都可以視為生物特徵。她不禁開始思考:如果是技術活動留下的印跡,我們該叫它什麼呢?技術特徵?人類改造地球的方式有千百萬種,但從未有意向宇宙宣告過我們的存在。白天,我們從工廠排放出滾滾濃煙;夜間,我們則用燈光點亮城市。我們根本忍不住這麼做,就像細菌忍不住釋放甲烷一樣。由此引申開來,先進的外星生物也可能在創造工業化文明的同時,以可見的方式改造了自己的星球。

在2006年為國際天文聯合會做的一次講演中,塔特介紹了這種全新的概念,並指出SETI需要一個更廣義的定義。她提出,如今是時候對任何指向外星技術存在的線索展開追尋了。

2018年秋天,SETI的“品牌再造”事業終於迎來了突破性時刻。NASA在休斯頓召開了一次“技術特徵研討會”,不僅召集了一些外星生命搜尋領域的“老將”,還邀請了其他多名科學家,比如亞當·弗蘭克。弗蘭克的主要工作是研發精細的恆星演化計算機模型,此前從未認真思考過SETI問題。但技術特徵的概念卻引起了他的興趣,因為它將重點從“外星人會不會發射信號”這一項具體動作上轉移到了“外星智慧生命會如何生活”這一更加廣泛的問題上。

除了提出新思想、新理念之外,此次技術特徵研討會還承諾為SETI研究提供一劑已缺席四分之一個世紀的“靈丹妙藥”:來自NASA的資金支持。系外行星的發現不僅給了NASA科學上的動力,還為其贏得了政治上的支持。人們會嘲笑SETI只是一項“尋找小綠人”的研究,但對生物特徵的研究聽上去卻是一個正經、嚴肅的觀測項目。果不其然,對生物特徵項目的撥款很快就順利通過了審批,為接下來的技術特徵研究資金鋪平了道路。

近20年間對系外行星的研究表明,對技術特徵的搜尋雖然存在挑戰,但還是有可能實現的。當系外行星與自己圍繞的恆星以及地球排成一線時,從地球看去,就好像這顆行星正在從恆星前方穿過一樣。恆星的光線從行星大氣中穿過時,一小部分光線會被大氣層中的氣體吸收,我們可以藉此判斷其中發生了哪些化學反應。有時候,我們還可以捕捉到行星表面反射的少量恆星光線。通過對這些極其微弱的效應展開分析,研究人員已經在這些遙遠的世界中發現了鈉、水、二氧化碳、甚至氧氣和甲烷。人造化合物也許比天然物質罕見得多、也難找得多,但從理論上來說,探測過程都是相同的。

去年,弗蘭克和合作者們獲得了NASA 撥給技術特徵研究的第一筆資金,終於結束了SETI長時間的停滯。該研究團隊將能量生產和製造視為工業文明最基本的兩個方面,然後以此為出發點,尋找從數光年之外觀察到這些事件的方法。以哈佛大學科學家阿維·勒布早年間發表的論文為基礎,研究人員最終將目光投向了兩種信號源:太陽能電池板、以及氫氟烴類化合物。

他們的推斷是,外星人要想將恆星的光線轉化成清潔能源,很可能會使用太陽能電池板。如果它們用太陽能電池板將自己的星球包裹起來,行星的外觀就會發生顯著變化。從太陽能光伏板上反射的光線與從湖泊或岩石上反射的光線有明顯不同。不僅如此,太陽能電池板給行星帶來的變化是可以預測的,不受外星文明研發的技術類型影響。無論你是不是外星人,可用的元素種類都是一樣的。研究團隊正在建立不同的計算機模型,模擬不同類型的太陽能裝置的外觀,然後分析這些裝置對我們的觀測要求。

相比較而言,氫氟烴化合物更像是一種“人類限定”的技術。但這是尋找“大氣技術特徵”的一個很好的出發點。所謂“大氣技術特徵”,是指工業文明向大氣中排放的任何特殊物質。氫氟烴化合物揮發性很強,常用作溶劑、製冷劑、起泡劑和氣溶膠噴射劑。這些物質既然對我們用處多多,其它物種或許也能發現它們的“誘人之處”。但氫氟烴化合物會破壞臭氧層,因此地球正在逐步禁止這類物質的使用。很難想象先進的外星文明會盲目地使用這些物質、導致自己的行星遭受污染。不過話又說回來,它們也許並不需要臭氧層,它們也許生活在地下,甚至可能將自己的工廠轉移到了另一顆無人居住的星球上。此外,氫氟烴化合物的保溫效果很好,外星人說不定會使用這些物質控制自己行星的氣候呢。

從技術特徵的角度來看,氫氟烴化合物尤其引人注目,因為它們在自然界中不存在,而且即使濃度很低,也很容易探測到。因此氫氟烴化合物是幫助我們了解人造化學物質對外星大氣影響的很好的出發點,或可帶領我們發現無數神奇的外星文明。

這也是搜索技術特徵最大的挑戰之一。外星技術的形式可能極其繁多,遠遠超出人們的想象。而我們只能從自己了解的技術起步,然後發揮創造力、一步步向外推斷。

弗蘭克表示:“我們想對各種可能性展開系統性思考,建立起‘技術特徵名錄’。”一些研究人員已經開始這麼做了。例如,NASA戈達德太空飛行中心的行星科學家拉維·科帕拉普對二氧化氮非常着迷。二氧化氮是燃燒或高溫製造業的副產物之一。下一代太空望遠鏡應當可以探測到30光年之外與地球相當的二氧化氮水平。還有人建議尋找重金屬工業污染、甚至從原子彈戰爭中留下的核污染痕迹。

不過,技術特徵不一定會以污染物的形式存在。人工照明的光譜與恆星的光線大不相同,因此未來的望遠鏡或許可以捕捉到外星大都市夜晚的光芒。據我們所知,任何能量使用過程都會釋放出熱量。如果對異常的紅外熱排放現象進行搜尋,也可以幫助我們尋找系外行星上的城市或工業園區。然而,這些信號有可能比氫氟烴化合物或太陽能電池板更不易察覺。利用現有探測途徑,我們也許根本發現不了它們,除非外星文明的規模遠遠超出人類有史以來的任何成就。

但話又說回來,它們為何要這麼做呢?SETI的領銜研究員、賓夕法尼亞大學的傑森·萊特針對外星人造物撰寫了大量文章。例如,當外星人口超過了行星可容納規模后,它們也許就會圍繞自己的恆星修建一個巨型結構,提供更多居住空間,或是更好地捕捉恆星的能量。按照這種設想,我們能觀測到的就不僅是科技的副產物了,而是技術本身。從遠處來看,這顆被巨型結構圍繞的恆星的光芒會先開始閃爍,然後隨着工程完工逐漸黯淡下去,最終只剩下該巨型結構發出的紅外熱量。

六年前,這種設想一度差點“成真”。天文學家塔貝莎·博亞吉安發現了一顆非常古怪的變星,與之前發現過的任何天體都不一樣。就連她的同事們都不得不承認,他們無法徹底排除這是個外星巨型結構的可能性。雖然目前天文學界達成的共識為,這顆變星並沒有那麼玄乎,可能只是一顆由塵埃環圍繞的年輕恆星而已。但這場爭議為技術特徵研究領域吸引了不少注意力,也使得萊特開始思索,如何以更負責、更科學、更嚴格的方式調查外星人造物。

萊特對外星技術的設想可謂天馬行空。他認為,外星技術可能已有數百萬年、甚至數十億年之久,形式可能是自動太空探測器,也可能是遠古時期考察活動留下的太空垃圾,就像阿波羅任務留下的遺骸一樣。我們只有抱着如此開放的心態,才有可能找到可行的探測方法,找到外星技術特徵在我們周圍留下的蛛絲馬跡。

但在地球上搜索外星技術的痕迹也許純屬浪費時間。地球的地質活動太過活躍,而且地球生命的破壞性太強。相比之下,在月球上展開搜索也許更合適些。在月球上,任何由訪客留下的結構或設備都會永久保留下去,也許藉助圖像搜索或雷達掃描便可發現它們。外星人也許還會在穩定軌道上放置一些太空探測器,用於監測太陽系。對軌道的穩定性要求雖然排除了很多地點,但像小行星帶這樣的區域倒是有可能的,因為探測器可以與周圍的小石塊融為一體、不易被我們發現。

人造天體的顏色和成分也許與普通天體明顯不同,並且內部可能是空心的,因此密度會比普通小行星低許多。由於密度較低,它們的軌道可能會在陽光的壓力下發生偏移。假如這種情況正在發生,我們甚至可以在其改變軌道時發現它們的蹤跡。從2023年開始,智利的魯賓天文台將對太陽系內的小型天體展開目前為止最大範圍的搜尋。研究人員希望能建立起一套預警系統,一旦望遠鏡探測到長相古怪的物體,就會將其標記為“可能的技術特徵”,以開展進一步分析。

無論外星技術特徵的形式如何,都有一個統一的前提:無論外星文明是否希望被探測到,我們都有可能探測到它們。但這種透明性原則是雙向的,如果外星人會因為自己的正常活動而暴露在我們的目光之下,那我們也可能暴露在它們的目光之下。今年年初發表在《自然》上的一項研究指出,我們附近有1715個恆星系能看到地球從太陽前方穿過。一旦發生這種情況,地球大氣就可能將我們的工業秘密暴露無遺,比如氫氟烴化合物、二氧化氮等等。

科幻小說中常常警告我們,不要將自己的存在向外星人廣而告之,因為它們一旦掌握了我們的位置,就可能對我們造成傷害。這也是劉慈欣的《三體》三部曲的核心思想。大多數科學家對向太空發送信號的項目都持謹慎態度,霍金也曾公開反對過這種想法。但技術特徵理念指出,這些擔憂更多出於恐懼、而非出於邏輯。曾在塔特手下工作的心理學家及天體生物學家道格拉斯·瓦科赫就秉持着這一觀點:“人們總感覺外太空就像一座危險重重的森林,因此我們最好藏起來、不要叫人發現;但事實上,要想躲藏起來,如今為時已晚。既然如此,我們應該怎麼做呢?”

瓦科赫成立的組織METI International的名字已經暗示了他的答案。METI意為“向外星智慧生物發送信息”,差不多剛好與SETI(搜索外星智慧生物)反過來。瓦科赫等METI支持者認為,既然我們的技術特徵早已暴露在外,任何人都能看見,而且目前尚未給我們招來任何禍端,我們也許並不需要擔心向外界宣布自己的存在會帶來什麼危險。

如果拋開這種恐懼不談,我們不妨好好思索一下自己想說什麼,畢竟這個話題非常豐富、也非常有趣。目前為止,人類只嘗試了幾次向外發射星際信號。其中最著名的當屬第一次:1974年,SETI的先驅弗蘭克·德雷克向M13星團發射了一個射電信號,編碼信息中包括DNA、人類、以及用於發射該信號的射電望遠鏡的圖像。

但此次嘗試存在一大限制(其後的幾次嘗試也是如此):德雷克並沒有解決“外星人何必回復我們”的問題。從統計上來說,我們能聯繫到的任何外星文明也許都比我們古老得多、技術也發達得多。我們要提供什麼樣的信息,才能對它們有一定價值呢?也許我們提供的信息可以讓它們想起自己的起源,也許能提供智慧物種演化方式的新思路。也許它們會出於善意回復我們一下,但也可能不這麼做。無論如何,弄清外星社會的動機將是技術特徵研究領域的新級別挑戰。

“缺少動機”或許可以解釋費米悖論。假如它們知道我們的存在,為什麼不聯繫我們呢?也許是因為外星智慧文明並不存在,但也有可能因為它們對我們完全不感興趣。已逝的斯坦福大學電氣工程師羅納德·布雷斯韋爾將SETI比作“申請加入星系俱樂部”。“但我們得先拿到邀請函才行。”瓦科赫指出,“不管我想加入哪個俱樂部,都需要先提出申請。假如被俱樂部接收,我還要支付會員費才行。”

假如瓦科赫說得對,那麼僅僅傾聽外星信號是不夠的,通過空氣污染和城市燈光標記我們的存在也不足以解決問題。要想加入“星系俱樂部”,唯一的方法只有對我們的技術特徵加以控制,然後大聲向外宣布:“我們就在這裡。如果你做出回應,我們有許多精彩的故事要告訴你。”